液壓故障分析法在海洋石油裝備上的應(yīng)用實(shí)例

安 璐

（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海201206）

液壓故障分析法在海洋石油裝備上的應(yīng)用實(shí)例

安 璐

（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海201206）

從勘探三號(hào)鉆井平臺(tái)TDS-8SA型號(hào)頂驅(qū)出現(xiàn)一系列液壓系統(tǒng)故障的實(shí)例分析，介紹了液壓故障分析法在海洋石油裝備上的應(yīng)用，分享了其中的具體細(xì)節(jié)與技術(shù)問(wèn)題，為今后海洋石油裝備的液壓故障解決提供借鑒。

液壓系統(tǒng)；故障分析；故障排查；頂驅(qū)；調(diào)壓閥

0 前言

隨著液壓技術(shù)在設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，液壓系統(tǒng)以其可靠性高、工作平穩(wěn)、易于控制等優(yōu)勢(shì)，被越來(lái)越多地應(yīng)用于海洋石油裝備上，尤其是海上鉆井平臺(tái)高昂的作業(yè)成本，設(shè)備穩(wěn)定性和其液壓系統(tǒng)的安全運(yùn)行，更是重中之重。但液壓系統(tǒng)是一套復(fù)雜的集合體，它涉及機(jī)械、電氣、液壓等多個(gè)領(lǐng)域，且液壓元件、機(jī)械部件與工作介質(zhì)所組成的液壓回路與機(jī)械傳動(dòng)完全不同，工作介質(zhì)封閉在管路內(nèi)，故液壓故障具有隱蔽性、不確定性和多樣性。因此液壓系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，排除起來(lái)比較麻煩。液壓系統(tǒng)無(wú)法像機(jī)械系統(tǒng)一樣用眼睛直觀看到問(wèn)題，所以要求技術(shù)人員具備較強(qiáng)的分析能力，從淺到深、從外到內(nèi)，以圖紙為依據(jù)，以液壓故障分析法為工具，逐步找到問(wèn)題所在。

1 液壓系統(tǒng)故障概述

液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)由壓力和流量構(gòu)成，其故障主要有三類(lèi)：壓力異常、速度異常、動(dòng)作異常。造成這三類(lèi)故障的原因多種多樣，液壓沖擊、液壓卡緊、空穴和氣蝕、溫度升高、振動(dòng)和噪聲、執(zhí)行器爬行、系統(tǒng)內(nèi)漏等，都能造成整個(gè)系統(tǒng)故障[1]。液壓系統(tǒng)主要由動(dòng)力源、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制單元和輔助部件構(gòu)成，要了解液壓系統(tǒng)故障的原因，首先要熟悉其原理、結(jié)構(gòu)及其內(nèi)在聯(lián)系。有的故障通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)就能解決，有的則需要修復(fù)或更換備件才能使用，有的則因?yàn)樵O(shè)計(jì)缺陷需要改進(jìn)系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，可按照如下分析法進(jìn)行解決：

1.1 簡(jiǎn)易判斷法

簡(jiǎn)易判斷法是最基本的方法，也是維修人員使用的主要方法，它是將看、問(wèn)、聽(tīng)等直觀方式結(jié)合，并依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行定性判斷，例如液壓泵站故障、液壓管路泄露、液壓機(jī)構(gòu)斷裂等。

1.2 系統(tǒng)分析法

液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及元器件的設(shè)置，都有它的目的性，不論多復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，都是由多個(gè)功能單元集中構(gòu)成，故每種故障都有各自的表現(xiàn)方式，熟悉整個(gè)液壓系統(tǒng)是分析故障的基礎(chǔ)，也是找到內(nèi)在故障的基本方式。具體的做法就是根據(jù)故障所表現(xiàn)出的現(xiàn)象，將引起此故障的液壓回路進(jìn)行劃分、分析，將可能引起此現(xiàn)象的液壓元件進(jìn)行修復(fù)或更換，直至將故障解決。此方式對(duì)維修人員有較高的要求，需要了解各個(gè)元件的功能和原理，摸透整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作方式，從而對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)分析和判斷。

1.3 模塊劃分法

模塊劃分法是將整個(gè)液壓系統(tǒng)分割成多個(gè)模塊進(jìn)行分析判斷，從壓力源、功能一、功能二到執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，將復(fù)雜的大型液壓系統(tǒng)劃分割成小模塊進(jìn)行故障判斷。例如：1）液壓泵及主回路模塊：檢查電機(jī)、高壓閥、主電磁閥、供油管路和回油管路、油箱、冷卻器等；2）液壓控制模塊：檢查調(diào)壓閥、針閥、流量閥、單向閥、換向閥、泄壓閥等；3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊：檢查儲(chǔ)能器、液壓油缸、液壓馬達(dá)、密封件、是否內(nèi)漏等；4）各個(gè)功能模塊：檢查各種閥件、安全件、控制件等[2]。我們將整個(gè)液壓系統(tǒng)分割成多個(gè)小模塊，在模塊內(nèi)進(jìn)行故障分析，將故障現(xiàn)象還原到每個(gè)功能體現(xiàn)上。雖然液壓系統(tǒng)的故障多種多樣，我們確定了哪個(gè)回路出現(xiàn)問(wèn)題，就能采取適宜的方法進(jìn)行解決。

2 液壓系統(tǒng)不正常狀態(tài)分析

本文以勘探三號(hào)鉆井平臺(tái)、型號(hào)為T(mén)DS-8SA的頂驅(qū)（圖1）故障為例，對(duì)液壓故障分析法在海洋石油裝備上的應(yīng)用做出分析。頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置（Top Drive System，簡(jiǎn)稱(chēng)“頂驅(qū)”）是當(dāng)今鉆井的前沿技術(shù)與裝備，是近代鉆井裝備的三大技術(shù)成果之一。所謂頂驅(qū)，就是可以從井架空間上部直接旋轉(zhuǎn)鉆柱，并沿專(zhuān)用導(dǎo)軌向下送進(jìn)，完成鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、循環(huán)鉆井液、接單根、上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作的鉆井機(jī)械設(shè)備[3]。頂驅(qū)是鉆井平臺(tái)上最重要的設(shè)備之一，考慮到其單一性和不可替代性，它的作用對(duì)于整個(gè)鉆井平臺(tái)的生產(chǎn)作業(yè)不言而喻。由于海洋平臺(tái)作業(yè)的特殊性，頂驅(qū)多使用國(guó)外進(jìn)口的主流產(chǎn)品，其構(gòu)造精密、液壓系統(tǒng)復(fù)雜、機(jī)電液相結(jié)合，使得維修人員對(duì)其技術(shù)研究難度較大。任何大型液壓系統(tǒng)，都是由無(wú)數(shù)小的液壓模塊組成，摸透整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作方式，就能運(yùn)用液壓故障分析法對(duì)高精密的海洋石油裝備出現(xiàn)的液壓系統(tǒng)故障進(jìn)行攻克。

圖1 TDS-8SA頂驅(qū)作業(yè)狀態(tài)照片

2.1 故障現(xiàn)象

勘探三號(hào)平臺(tái)在中國(guó)南海某海域進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，井隊(duì)（頂驅(qū)使用者）突然發(fā)現(xiàn)TDS-8SA頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)頭反扭矩銷(xiāo)子（Shotpin）（圖3）插入齒輪盤(pán)孔中無(wú)法退出，旋轉(zhuǎn)頭無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。

經(jīng)初步檢查發(fā)現(xiàn)，頂驅(qū)主閥組處的控制扭力鉗夾緊和反扭矩銷(xiāo)子伸縮的電磁閥內(nèi)有節(jié)流聲音，且能感覺(jué)到油路接通。此時(shí)，初步預(yù)判斷，可能電磁閥損壞，導(dǎo)致油路常開(kāi)。隨即更換電磁閥，試驗(yàn)后，問(wèn)題仍然存在。

此后，經(jīng)過(guò)來(lái)回動(dòng)作IBOP（上考克）電磁閥的方式，銷(xiāo)子慢慢縮回。試驗(yàn)背鉗，問(wèn)題仍未解決。之后又幾次嘗試性操作，主要問(wèn)題體現(xiàn)如下：

1）反扭矩銷(xiāo)子插入齒輪盤(pán)孔，無(wú)法自動(dòng)縮回；

2）按“背鉗”按鈕時(shí)，頂驅(qū)無(wú)法自動(dòng)完成對(duì)洞過(guò)程，但偶爾也能成功；

3）扭力鉗基本不動(dòng)作，偶爾會(huì)動(dòng)作一下；

4）頂驅(qū)主閥組內(nèi)有節(jié)流聲音，主要來(lái)自扭力鉗和反扭矩銷(xiāo)控制電磁閥處。

隨即決定將扭力鉗電磁閥的電斷掉，頂驅(qū)上卸扣時(shí)使用轉(zhuǎn)盤(pán)鎖或大鉗作為背鉗操作，進(jìn)行正常作業(yè)，后期再尋找合適時(shí)機(jī)排除頂驅(qū)故障。

2.2 原理概述

我們先外觀檢查液壓泵站、頂驅(qū)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械部分以及液壓管路、管件等，均無(wú)異常。隨即查詢(xún)頂驅(qū)液壓系統(tǒng)圖紙，和此次故障相關(guān)部分的圖紙主要如圖2所示。

2.2.1 反扭矩銷(xiāo)（Shot Pin）

如圖3所示，反扭矩銷(xiāo)固定于齒輪箱本體下部，由一個(gè)小油缸構(gòu)成。在液壓油的作用下，油缸伸出，反扭矩銷(xiāo)插入旋轉(zhuǎn)頭齒輪盤(pán)轉(zhuǎn)中，起到鉆具上扭矩時(shí)反扭矩的作用。

2.2.2 反扭矩系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)壓閥

從主圖紙中截取反扭矩銷(xiāo)及夾緊油缸相關(guān)部分如圖4所示。在反扭矩銷(xiāo)插入旋轉(zhuǎn)頭齒輪盤(pán)時(shí)，可能出現(xiàn)三種情況：未操作扭矩鍵、操作扭矩鍵但未對(duì)準(zhǔn)孔、操作扭矩鍵且對(duì)準(zhǔn)孔。在按下司鉆室扭矩按鈕后，電磁閥動(dòng)作（如圖4綠圈中所示），反扭矩銷(xiāo)會(huì)動(dòng)作向下，如果未對(duì)準(zhǔn)孔，反扭矩銷(xiāo)會(huì)縮回，然后電脈沖信號(hào)控制旋轉(zhuǎn)頭齒輪盤(pán)點(diǎn)動(dòng)，反扭矩銷(xiāo)會(huì)繼續(xù)動(dòng)作向下，直至對(duì)準(zhǔn)并插入銷(xiāo)孔中。由圖4可以看出，反扭矩銷(xiāo)系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)壓閥是為了防止未對(duì)準(zhǔn)銷(xiāo)孔時(shí)，反扭矩銷(xiāo)作用于齒輪盤(pán)上的壓力過(guò)大，從而損傷齒輪盤(pán)。一般情況下，調(diào)壓閥的壓力應(yīng)調(diào)節(jié)為400～450psi，系統(tǒng)壓力為2000psi。

2.3 初步分析

后續(xù)幾天，經(jīng)過(guò)查閱大量TDS-8SA頂驅(qū)系統(tǒng)的操作說(shuō)明及技術(shù)手冊(cè)，以及技術(shù)人員共同討論，結(jié)合上述現(xiàn)象，判斷可能有以下幾個(gè)方面的原因：

1）泵站供油壓力不足；

2）頂驅(qū)液壓油濾器堵塞，造成流量減少，反扭矩銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)速度變慢；

3）反扭矩銷(xiāo)的油缸處有內(nèi)漏現(xiàn)象；

4）回油不暢；

圖2 TDS-8SA頂驅(qū)液壓系統(tǒng)原理圖（局部）[5]

圖3 旋轉(zhuǎn)頭反扭矩銷(xiāo)結(jié)構(gòu)圖[4]

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖中反扭矩銷(xiāo)及夾緊油缸部分圖紙截圖[5]

5）反扭矩銷(xiāo)油路上的調(diào)壓閥需要調(diào)節(jié)。

在上述故障判斷的基礎(chǔ)下，我們初步制定下一步的計(jì)劃。首先檢查液壓泵站，檢查其工作情況和油壓；其次檢查頂驅(qū)液壓油濾器情況，判斷是否需要清洗；最后需要用測(cè)試表測(cè)量液壓圖紙上A2,Z2,C5,G2,E2幾個(gè)點(diǎn)的壓力變化，來(lái)作為分析最可能原因的依據(jù)。其中，A2表示將銷(xiāo)子縮回時(shí)的壓力，Z2表示銷(xiāo)子插入時(shí)的壓力，C5為銷(xiāo)子沒(méi)對(duì)準(zhǔn)孔時(shí)卸壓口的壓力，G2為扭力鉗打開(kāi)的壓力，E2為扭力鉗動(dòng)作時(shí)的壓力。壓力變化分為三個(gè)階段：電磁閥無(wú)動(dòng)作、電磁閥動(dòng)作但孔沒(méi)對(duì)準(zhǔn)、電磁閥動(dòng)作且孔對(duì)準(zhǔn)。

2.4 測(cè)量數(shù)據(jù)

在隨后的初步檢查中，我們發(fā)現(xiàn)液壓泵站并無(wú)異常，且諸如鐵鉆工等的其他同管路液壓設(shè)備均使用正常，否定上述第1）條判斷；

其次，檢查頂驅(qū)液壓油濾器，顯示為“clean”狀態(tài)，否定上述第2）條判斷；

最后，對(duì)頂驅(qū)液壓系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可推測(cè)上述第4）條不滿(mǎn)足，排除；推測(cè)3）最后考慮。其中C5點(diǎn)15 kg∕cm2這個(gè)值和理論不符，和上述第5）條存在關(guān)系，需要著重分析如下兩個(gè)液壓元件，如圖5、圖6。

圖5 背鉗控制液壓閥[5]

表1 故障時(shí)頂驅(qū)液壓系統(tǒng)各相關(guān)檢測(cè)點(diǎn)壓力值

圖6 反扭矩銷(xiāo)液缸[5]

2.5 后期分析

隨后分析上述兩個(gè)液壓元件的原理，參考前期測(cè)量的數(shù)據(jù)，理論上應(yīng)該一目了然。圖5中3點(diǎn)處的壓力必須大于4點(diǎn)處的壓力時(shí)，1點(diǎn)才會(huì)向2點(diǎn)供油；圖6中，當(dāng)活塞在完全伸出之前的任何一個(gè)位置，A點(diǎn)和C點(diǎn)都是導(dǎo)通的，而當(dāng)活塞完全伸出后，A點(diǎn)和C點(diǎn)斷開(kāi)，B點(diǎn)和C連通。我們需要分析為何不操作扭矩按鈕、電磁閥不動(dòng)作時(shí)C5點(diǎn)壓力為15 kg∕cm2，分析得出圖7的反扭矩銷(xiāo)子調(diào)壓閥被擊穿時(shí)（或因?yàn)榕K堵而造成調(diào)壓閥無(wú)法完全關(guān)閉等），C點(diǎn)可向B點(diǎn)供油，此時(shí)會(huì)顯示有壓力，或出現(xiàn)15 kg∕cm2這個(gè)值，正常狀態(tài)C5應(yīng)為緩慢增加至2000psi（140 kg∕cm2），如圖7所示。

圖7 反扭矩調(diào)壓閥[5]

根據(jù)上述分析，我們更換反扭矩銷(xiāo)子調(diào)壓閥后，整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)正常。

另外正常后的壓力理論上應(yīng)為表2中數(shù)據(jù)。

表2 正常后頂驅(qū)液壓系統(tǒng)各相關(guān)檢測(cè)點(diǎn)壓力值

在更換反扭矩銷(xiāo)子調(diào)壓閥后，對(duì)上述測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地校核，A2、Z2、C5、G2、E2點(diǎn)測(cè)量結(jié)果和上述表中數(shù)值基本一致，驗(yàn)證了液壓理論圖。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合液壓系統(tǒng)在海洋石油裝備上的實(shí)際案例，闡述了整個(gè)故障的發(fā)生、原因以及解決問(wèn)題的過(guò)程，給予相關(guān)從業(yè)者一定的參考與借鑒。液壓故障的分析與處理是一個(gè)逐步排查的過(guò)程，只要了解液壓系統(tǒng)的原理，看懂液壓圖紙，掌握各模塊的功能和參數(shù)，了解各部件的性能和工作順序，并在日常工作中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，就能通過(guò)液壓故障分析法解決所有故障難題，不斷提升自身的維修技能。

[1]史紀(jì)定，嵇光國(guó).液壓系統(tǒng)故障診斷與維修技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[2]陸望龍.實(shí)用液壓機(jī)械故障排除與修理大全[M].長(zhǎng)沙：湖南科技出版社，2007.

[3]陳朝達(dá).頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000.

[4]KELLSTROM J,SHUMSKIB.TDS-8SA Top Drive System Owner's Manual D811000702-MAN-001 Volume 1[M].NATIONAL OILWELL VARCO，2008.

[5]KELLSTROM J,SHUMSKIB.TDS-8SA Top Drive System Owner's Manual D811000702-MAN-001 Volume 2[M].NATIONAL OILWELL VARCO，2008.

TE95

A

1673-2928（2018）02-0029-05

D01:10.19329/j.cnki.1673-2928.2018.02.008

2017-09-26

安璐（1983-），男，甘肅天水人，中石化海洋石油工程有限公司工程師，主要從事海洋石油鉆井平臺(tái)設(shè)備與物資管理工作。

郝安林）